CN115629009A - 一种具有自清洁功能的共振式液体密度计 - Google Patents

一种具有自清洁功能的共振式液体密度计 Download PDF

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朱孔军
张培达
潘松
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Abstract

本发明公开了一种具有自清洁功能的共振式液体密度计，包括：传动杆、固定螺母、激励源、拾振源、法兰基座、橡胶垫圈、管道、共振体、拾振源信号线和激励源信号线；共振体浸入液体中，传动杆穿过法兰基座与共振体连接，激振源和拾振源与传动杆通过孔轴过渡配合，再配合上固定螺母固定激励源和拾振源在法兰基座上，从激励源引出激励源信号线，从拾振源引出拾振源信号线，密度计通过法兰基座的螺纹孔，隔着橡胶垫圈，与管道进行螺纹连接。本发明通过利用向激励源通高频交流信号，引发特殊高频模态振型的技术，引发密度计超声振动，使其在不影响测量的前提下，在水或空气中超声振动，从而达到清洁的效果。

Description

一种具有自清洁功能的共振式液体密度计
技术领域
本发明涉及液体密度测量技术领域，尤其是一种具有自清洁功能的共振式液体密度计。
背景技术
共振式液体密度计是设计用来解决在原油化工管道液体测量难题，技术主要依据振动理论。通过向压电激振源施加交流信号，引发共振体与被测液体共振，共振的频率通过另外一个拾振源检测得出，再通过放大、滤波和整形电路，使得在计算密度的同时，反馈到激振压电陶瓷，使共振体被稳定在共振频率上。当共振体浸入被测液体时，由于振动系统的附加质量发生变化，使得共振频率随之变化，再根据质量与密度的关系，测出液体密度。
共振式液体密度计主要设计用于管道测量，所以在长期工作中，会使得共振体上不断粘附污垢，导致测试精度不断降低。传统的办法大多需要从管道拆除密度计，用纸巾洗涤剂擦拭清洁，此办法不但清洁效果有限，而且耗费人力物力。因此，密度计的自清洁问题一直都是其急需解决的问题。
现有液体密度计，通常为音叉结构。音叉结构相较共振式液体密度计较复杂。在测量使用时，音叉结构容易沾附污垢，而且人为清洁容易出现清洁不全面的问题，这就导致清洁困难密度计越测越差的问题。并且传统液体密度计所使用激振能力较弱的激振源，如电磁线圈或普通的压电陶瓷，加上音叉结构激振较为困难，导致在音叉结构中无法得到较好的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有自清洁功能的共振式液体密度计，通过利用向激励源通高频交流信号，引发特殊高频模态振型的技术，引发密度计超声振动，使其在不影响测量的前提下，在水或空气中超声振动，从而达到清洁的效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有自清洁功能的共振式液体密度计，包括：传动杆1、固定螺母2、激励源3、拾振源4、法兰基座5、橡胶垫圈6、管道7、共振体8、拾振源信号线10和激励源信号线11；共振体8浸入液体9中，传动杆1穿过法兰基座5与共振体8连接，激振源3和拾振源4与传动杆1通过孔轴过渡配合，再配合上固定螺母2固定激励源3和拾振源4在法兰基座5上，从激励源3引出激励源信号线10，从拾振源4引出拾振源信号线11，密度计通过法兰基座5的螺纹孔，隔着橡胶垫圈6，与管道7进行螺纹连接。
优选的，激励源3通过逆压电效应激励共振体8共振，拾振源4通过正压电效应检测共振体8共振频率。
优选的，激励源3和拾振源4为兰杰文振子。
优选的，共振体8为球状结构或者螺旋体结构。
优选的，共振体8为轴对称结构，对称轴为传动杆1的中轴线，激振源3和拾振源4通过传动杆1孔轴配合设于共振体8的对称轴的位置。
优选的，当密度计浸入液体9进行检测时，激励源3通过传动杆1激励共振体8，使其在设定好的频率下共振，同时拾振源4检测共振体8共振时的频率，共振体8在检测出的共振频率上振动，此共振频率与液体密度满足如下关系：
Figure BDA0003865922510000021
其中，ρ为被测液体的密度，f为共振频率，m0、m1、m2为需要通过校准实验来确定的传感器系数。
优选的，密度计等效的均匀杆自由振动的固有频率与固有振型函数，分别为：
Figure BDA0003865922510000022
其中，ωn为等效的均匀杆的固有频率，φn(x)为对应于杆的第n阶固有频率ωn的固有振型函数，c为纵波沿杆纵向的传播速度，l为杆长，通过上述公式，计算出密度计在自清洁时，所适合的纵振振型以及对应的频率。
本发明的有益效果为：(1)兰杰文振子作为的激励源，有着更强的激振能力更宽的频域范围，以兰杰文振子作为拾振源，有着更高的灵敏度和测试精度；(2)通过对激励源施加高频交流信号，信号频率特别选取，引发共振体纵振；根据振动理论，结构在超声振动时，特别是高频模态的纵振，能够将高粘度的被测液体或者长期使用留下的污垢清洁干净；该自清洁功能使用方便，在每次测试之前，都可以进行自清洁，不仅大大减少了人力成本，而且还提升密度计在线测量的精度准确性；(3)并未增加其他机械结构，使用方便，设计合理，不但液体密度检测准确有效，而且自清洁功能清洁全面，能够保证长时间的在线测量。
附图说明
图1为本发明密度计的整体结构示意图。
图2为本发明密度计的结构示意图。
图3为本发明密度计的自清洁功能效果图。
图4为本发明的理想均匀梁纵振效果图。
图5为本发明密度计的有限元仿真结构示意图。
图6为本发明密度计的有限元仿真低频模态振型图。
图7为本发明密度计的有限元仿真高频模态振型图。
图8为本发明密度计的有限元仿真高频模态振型图。
其中，1、传动杆；2、固定螺母；3、激励源；4、拾振源；5、法兰基座；6、橡胶垫圈；7、管道；8、共振体；9、液体；10、拾振源信号线；11、激励源信号线；12、仿真模型；13、仿真介质。
具体实施方式
如图1所示，一种具有自清洁功能的共振式液体密度计，包括：传动杆1、固定螺母2、激励源3、拾振源4、法兰基座5、橡胶垫圈6、管道7、共振体8、拾振源信号线10和激励源信号线11；共振体8浸入液体9中，传动杆1穿过法兰基座5与共振体8连接，激振源3和拾振源4与传动杆1通过孔轴过渡配合，再配合上固定螺母2固定激励源3和拾振源4在法兰基座5上，从激励源3引出激励源信号线10，从拾振源4引出拾振源信号线11，密度计通过法兰基座5的螺纹孔，隔着橡胶垫圈6，与管道7进行螺纹连接。
一种共振式液体密度计，不仅检测液体9的密度，而且还具有自清洁功能。包括浸入液体的共振体8，通过逆压电效应激励共振体共振的激振源3，通过正压电效应检测共振体共振频率的拾振源4，起传动与承载作用的传动杆1与法兰基座5。当密度计浸入液体9进行检测时，激励源3通过传动杆1激励共振体8，使其在设定好的频率下共振，与此同时拾振源检测共振体8共振时的频率。再通过所设计好的电路，共振体8会在检测出的共振频率上振动。此共振频率与液体密度由如下关系：
Figure BDA0003865922510000031
公式中，ρ为被测液体的密度，f为共振频率，m0、m1、m2为需要通过校准实验来确定的传感器系数。
所述激励源3与拾振源4为压电材料，本发明采用兰杰文振子，兰杰文振子通常运在超声振动领域中，例如超声电机，超声波清洁设备等。因此，兰杰文振子不仅非常契合本发明密度计的自清洁功能的技术需求，而且密度测量的激振需求更能满足。
另外，所述激励源信号线11作为信号输入端，除了通引起共振体共振的较低频率交流信号外，还可以通引起共振体高频纵振的高频交流信号，这是为了密度计能够实现自清洁的功能。所述拾振源信号12作为信号的输出端，是为了获取密度计测量密度的共振频率。
如图2所示，是本发明所述密度计的基本结构示意图。传动杠1与法兰基座5通过孔轴过盈配合，并且为加强两者的配合强度还需焊接；传动杆1与共振体8通过螺纹连接；激振源3拾振源4与传动杆1通过孔轴过渡配合，再配合上固定螺母2固定激励源3拾振源4在法兰基座上5。
一种具有自清洁功能的共振式液体密度计，所述自清洁功能是根据原理按下列步骤进行的：
步骤一：针对解决管道密度测量密度计长期使用积累污垢导致测量精度下降的问题，提出使用超声振动自清洁的方案，采用兰杰文振子作为激励源，激发密度计在高频振动下，完成自身的清洁。
步骤二：如图3所示，为密度计自清洁功能效果图，如图4所示，为理想均匀梁纵振效果图，所设计的密度计结构近似于理想均匀梁，所以存在与理想均匀梁相近的模态振型，高频条件下的纵振能够将密度计清洁到位。通过振动理论计算分析，推导出在高频(万赫兹)能够引发纵振的共振频率与纵振振幅。
步骤三：根据机械振动理论，可以推算出密度计等效的均匀杆自由振动的固有频率与固有振型函数，分别为：
Figure BDA0003865922510000041
其中，ωn为等效的均匀杆的固有频率，φn(x)为对应于杆的第n阶固有频率ωn的固有振型函数，c为纵波沿杆纵向的传播速度,l为杆长。通过上述公式，可以计算出密度计在自清洁时，所适合的纵振振型以及对应的频率。从上述公式可见，选择更高阶的模态纵振，固有频率越大，固有振型函数的周期就会更短。所呈现的振动效果为密度计传动杆与共振体更快速上下振动，从而自清洁更加有效。所以本发明公开的共振式液体密度计必须采用高阶纵振来实现自清洁功能。
如图5所示，从振动理论证明可行性后，可以在有限元软件分别对密度计的低频和高频模态做进一步分析。图5是本发明所述密度计有限元仿真结构示意图，在有限元软件中，过对仿真模型12设置合理的参数进行模态分析，就能计算得到密度计各阶模态以及对应的共振频率。
如图6所示，为本发明所述密度计有限元仿真低频模态振型图。可见该模态振型为弯振，该振型作为本发明所述密度计密度测量功能的基本振型，且低频模态振动频率即为所述密度计进行液体密度测量的工作频率。
另外，在有限元软件中，可以修改被测介质13各项参数如密度，粘度等，进而计算出仿真模型12在不同参数的被测介质13中的各个共振频率，即模拟出密度计浸在不同密度和粘度液体下进行振动，得出在不同液体的共振频率。按照这个方法可以找出出密度计尺寸优化的方向和合适的模态振型，这对提高测量灵敏度有非常重大的意义。因此，从有限元仿真结果出发，所选低频模态振型为本发明密度计灵敏度最合适的振型。
如图7和图8所示，为本发明所述密度计有限元仿真高频模态振型图。可见该模态振型为纵振，该振型作为本发明所述密度计自清洁功能的基本振型。从振动理论出发，均匀梁自由纵振模型说明高阶的纵振对应更高的固有频率与固有振型，对应所述密度计更好更快的纵振，因此高阶纵振能得到更好的自清洁效果。综上所述，选用高频纵振作为所述密度计自清洁功能的基本振型。
本发明密度计具体工作过程为：在测量液体密度时，向激励源3通较低频率的交流信号，引发共振体8在液体中共振，拾振源4检测出共振频率，如此往复；当被测液体改变或者是使用有一段时间测量精度下降，这时需要清洁密度计，则向激励源3通高频交流信号，引发共振体8超声纵振，运行一段时间，将污垢振落，完成密度计清洁，恢复密度计正常测量精度。

Claims (7)

1.一种具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，包括：传动杆(1)、固定螺母(2)、激励源(3)、拾振源(4)、法兰基座(5)、橡胶垫圈(6)、管道(7)、共振体(8)、拾振源信号线(10)和激励源信号线(11)；共振体(8)浸入液体(9)中，传动杆(1)穿过法兰基座(5)与共振体(8)连接，激振源(3)和拾振源(4)与传动杆(1)通过孔轴过渡配合，再配合上固定螺母(2)固定激励源(3)和拾振源(4)在法兰基座(5)上，从激励源(3)引出激励源信号线(10)，从拾振源(4)引出拾振源信号线(11)，密度计通过法兰基座(5)的螺纹孔，隔着橡胶垫圈(6)，与管道(7)进行螺纹连接。
2.如权利要求1所述的具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，激励源(3)通过逆压电效应激励共振体(8)共振，拾振源(4)通过正压电效应检测共振体(8)共振频率。
3.如权利要求1所述的具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，激励源(3)和拾振源(4)为兰杰文振子。
4.如权利要求1所述的具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，共振体(8)为球状结构或者螺旋体结构。
5.如权利要求1所述的具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，共振体(8)为轴对称结构，对称轴为传动杆(1)的中轴线，激振源(3)和拾振源(4)通过传动杆(1)孔轴配合设于共振体(8)的对称轴的位置。
6.如权利要求1所述的具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，当密度计浸入液体(9)进行检测时，激励源(3)通过传动杆(1)激励共振体(8)，使其在设定好的频率下共振，同时拾振源(4)检测共振体(8)共振时的频率，共振体(8)在检测出的共振频率上振动，此共振频率与液体密度满足如下关系：
Figure FDA0003865922500000011
其中，ρ为被测液体的密度，f为共振频率，m0、m1、m2为需要通过校准实验来确定的传感器系数。
7.如权利要求1所述的具有自清洁功能的共振式液体密度计，其特征在于，密度计等效的均匀杆自由振动的固有频率与固有振型函数，分别为：
Figure FDA0003865922500000021
其中，ωn为等效的均匀杆的固有频率，φn(x)为对应于杆的第n阶固有频率ωn的固有振型函数，c为纵波沿杆纵向的传播速度，l为杆长，通过上述公式，计算出密度计在自清洁时，所适合的纵振振型以及对应的频率。
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